Curiosidades

Como os arco-íris são formados?

Arco-íris personificam a alegria. Os sete arcos de cores diferentes surgiram no céu após uma tempestade que representa um dos visuais mais encantadores e resplandecentes que a natureza pode criar. A questão é, como ela pinta uma obra-prima?

arco-íris papel de parede

(Crédito da Imagem: Pixabay)

Arco-íris são criados quando as gotas de chuva suspensas no ar atuam como prismas e dividem a luz branca incidente sobre as sete cores constituintes da luz. As sete cores – vistas de cima a baixo – vermelho, laranja, amarelo, verde, azul, anil e violeta são irradiadas pelas gotas como sete arcos contíguos que chamamos coletivamente de arco-íris.

No entanto, a física só pode realizar essa magia se certas condições-chave forem satisfeitas: o Sol e a nuvem que banha as gotículas estão opostos um ao outro, de tal forma que o olhar do observador está sobre a nuvem enquanto o Sol brilha nas suas costas. Com um alinhamento diferente, o arco-íris não pode ser observado. Vale ressaltar que não é que o arco-íris não seja formado, mas sim que ele não pode ser observado pelo observador que, por exemplo, está olhando para o sol. Você vai entender por que em um momento. Por esta razão, as observações são favoráveis ​​às 4 da tarde ou às 8 da manhã, quando o Sol está atrás de nós. Agora, vamos examinar precisamente como um arco-íris é formado.

alinhamento

A Física – Refração e Reflexão

Em 1666, Newton demonstrou que as ondas de luz solar branca entrando pela janela e se chocando contra um prisma se dividiam em sete cores distintas. Newton percebeu que a luz branca é, na verdade, uma combinação de cores diferentes, e o prisma havia dividido essa luz singular em suas cores constituintes. Enquanto toda cor que existe jorra do ponto de contato, apenas sete podem ser percebidas distintamente.

A velocidade da luz é um limite cósmico para a velocidade com que qualquer objeto pode viajar. No entanto, a luz viaja 300 milhões de metros por segundo apenas no vácuo, como o espaço. Em outro meio, como ar ou água, a luz desacelera. Quando a luz entra no prisma, ela se inclina e diminui a velocidade, pois o cristal não permite que ele viaje tão facilmente quanto no espaço vazio. Isso é chamado de refração.

Ao contrário da reflexão, a luz refratada não retorna da superfície, mas penetra e sofre uma mudança na velocidade, dependendo das propriedades do meio. De fato, quando a luz sai do meio mais denso e entra novamente no meio mais leve, isto é, quando sai do prisma do lado oposto, ele se refrata novamente, mas agora, em vez de dobrar, ele ascende. O meio mais leve oferece menos resistência, permitindo assim que a luz recupere sua incrível velocidade.

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Você provavelmente já experimentou que, devido à inércia, um carro em alta velocidade é muito mais difícil de virar do que um carro lento. A luz branca é uma mescla de comprimentos de onda, e o prisma a divide porque alguns comprimentos de onda viajam mais devagar e, portanto, dobram-se mais que os outros. O comprimento de onda da luz que percebemos como vermelho viaja mais rápido e, naturalmente, se dobra menos. O comprimento de onda da luz que percebemos como laranja viaja mais devagar e, portanto, dobra um pouco mais do que o vermelho. Da mesma forma, os sucessivos comprimentos de onda viajam cada vez mais devagar e, portanto, são cada vez mais curvados. Finalmente, a violeta viaja mais devagar e naturalmente se inclina mais. Tenha em mente que cada comprimento de onda e, portanto, cada cor que existe entre o vermelho e o violeta se dobra cada vez mais, mas apenas os sete primários são evidentes.

Pingos de chuva suspensos no ar “dividem” a luz do sol de maneira precisa. No entanto, não apenas o Sol deve iluminar suas costas, mas para ser descascado de uma cor, a luz deve atingir as gotas em um ângulo específico que corresponda a essa cor. O ângulo é medido em relação à linha de visão do observador. A cor vermelha é descascada quando a luz do sol atinge uma gota em um ângulo de 42 graus, enquanto a violeta é removida quando o ângulo formado é de 40 graus. O resto das cores é descascado quando o ângulo está entre 42 e 40 graus.

As faixas de cores dobradas e contíguas viajam para o lado oposto da gota, onde alguma luz se refrata e, portanto, sobe à medida que sai da gota, mas a maior parte da luz é refletida pela superfície da gota. O ângulo de reflexão é igual ao ângulo de incidência, de modo que o raio violeta é refletido mais para dentro do que o raio vermelho. Isso faz com que a ordem das listras seja invertida. As listras invertidas agora refratam novamente, subindo (elas parecem se dobrar, como estão invertidas) quando saem pela superfície da qual entraram. Enquanto milhões de prismas refratam a luz do Sol, as faixas de cores formam coletivamente o que percebemos como um arco-íris impressionante.

pingo de chuva,

Por que arco-íris são arqueados?

A partir do diagrama, parece que as listras devem ser irradiadas linearmente, então por que os arco-íris são arqueados? Além disso, a inversão faz com que o violeta seja transmitido acima do vermelho; os arcos estão na ordem VIBGYOR, então por que a ordem dos arcos aparece como ROYGBIV? Vamos discutir a causa da ordem invertida primeiro.

Sim, as gotas transmitem o violeta acima do vermelho, mas o violeta transmitido pelas gotas altas no céu passa acima da cabeça do observador, enquanto o vermelho transmitido pelas mesmas gotas, em virtude de ser transmitido mais abaixo, encontra o olhar do observador abaixo. Enquanto, o vermelho transmitido pelas gotas mais baixas no céu passa abaixo do olhar do observador, enquanto o violeta transmitido mais alto pelas mesmas gotas, o encontra. Transmitido entre o vermelho e o violeta, o resto das cores. A ordem das cores que o observador vê é, portanto, o inverso da ordem das cores que as gotas refratam.

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Mecanismo de inversão de pedidos

Os sete arcos parecem pintados no céu, já que parecem ser bidimensionais. No entanto, o Sol e a Lua também parecem ser discos bidimensionais, mas, e espero que você esteja ciente, eles obviamente não são. Eles parecem ser bidimensionais porque nos faltam as pistas visuais que acentuam sua tripla dimensionalidade. Arco-íris não são formados por gotas alinhadas em um único plano; as gotas estão dispersas em todos os planos – X, Y e Z. Além disso, é a geometria da reflexão em três dimensões que faz com que o arco-íris seja, não arqueado, mas circular. Sim, se não fosse pela superfície da Terra, um observador testemunharia um círculo de cores elegante e completo.

A geometria do ensino médio nos diz que as cores são refratadas para fora da gota no mesmo ângulo em que a luz do sol atinge a gota para produzi-las. Assim, o vermelho é refratado a 42 graus e o violeta emana a 40 graus, com o resto das cores entre eles. Imagine cada gota sob a nuvem chuvosa refratando as cores nesses ângulos específicos, em todas as direções possíveis.

No entanto, uma cor torna-se visível apenas quando o ângulo específico é desenhado em relação ao olho do observador. Com cada ângulo desenhado em relação ao olho do observador, o que é formado pelos raios e pelas gotas é um belo cone. Os raios emergentes formam os lados do cone quando convergem em um ângulo de 42 graus para um único ponto – a ponta do cone – que é, naturalmente, o olho do observador. Sete cones de diferentes ângulos de lado a eixo são desenhados, mas o que o observador vê são os rostos desses cones, que são sete círculos.

o cone do arco-íris

O centro desses círculos concêntricos é formado em oposição diametral ao Sol. É por isso que somos incapazes de testemunhar um arco-íris circular. Em vez disso, vemos um arco-íris imensamente arqueado adornando o céu opaco quando o Sol está logo acima do horizonte, mas assim que ele afunda, o arco-íris desaparece. Se o Sol pudesse de alguma forma ficar ainda mais baixo e ainda estar visível, mais e mais desse círculo impressionante nos seria revelado. Claro, isso não é possível. No entanto, o Sol pode ser encontrado ainda mais baixo e visível quando o observador sobe para uma altitude maior. De fato, tipicamente, é da janela de um avião que a maioria das pessoas se vê maravilhada com um arco-íris em forma de halo e cheio de círculo.

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Secondary e outros tipos de arco-íris

A luz do Sol não precisa necessariamente seguir o curso de refratar-refletir-refração; pode, dentro da queda, refletir várias vezes. Quando a luz segue o curso de refratar-refletir-refletir-refletir-refratar da maneira representada no diagrama abaixo, o que é produzido é chamado de arco-íris secundário.

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Este arco-íris incrível é formado acima do arco-íris primário e é relativamente mais fraco. Observe que, como as listras sofrem dois reflexos, o arco-íris gerado é invertido, o que significa que o vermelho é transmitido acima do violeta. Como explicado, o modo como os raios iluminam o olho de um observador transforma o arco-íris em invertido; assim, a ordem das cores do arco-íris secundário é o inverso da ordem das cores do arco-íris primário. No entanto, é igualmente de tirar o fôlego. E espere … tem mais!

O arco-íris primário refrata a luz do Sol para dentro, enquanto o arco-íris secundário a refrata para fora. Isso ilumina as regiões do céu acima do arco-íris secundário e abaixo do arco-íris primário, deixando a região entre eles um cinza melancólico. Essa região é chamada de Alexander Band, e foi descrita pela primeira vez pelo filósofo grego do século III, Alexander of Aphrodisias.

Nas bordas, no entanto, onde começa o clareamento – acima e abaixo dos arcos violetas dos arco-íris secundário e primário, respectivamente – as cores aparecem variadas. Isso é chamado de arco-íris supranumerário. As cores são variadas porque a luz acima e abaixo dos arcos forma um padrão de interferência. O arco-íris supranumerário, portanto, é uma prova maravilhosa da natureza ondulatória da luz. Os dois arco-íris, a banda abismal no meio e as cores variadas – todo o visual parece paradisíaco.

arco-íris doube

(Crédito da foto: Wikimedia Commons)

Os arco-íris não são concedidos a nós pela benevolência do Sol ou por uma nuvem que chora; tudo que um arco-íris precisa formar é uma fonte de luz branca e gotas de água. Pode-se encontrar um vago arco-íris, como se fosse um mosaico de gotículas coloridas, na névoa produzida quando a água bate em uma rocha ou na névoa expelida por uma mangueira, borrifador ou fonte. Na verdade, o arco-íris pode até ser formado pela lua! Os pingos de chuva refratam a luz da lua para gerar um arco lunar , mas devido à pouca luz da lua, os arco-íris são incrivelmente difíceis de detectar. Qualquer que seja a fonte, não se esqueça de ficar entre ela e as gotículas de forma que ela ilumine suas costas.

Por último, tenha em mente que os cones de cores convergem no olho do observador. Um ponto diferente de convergência implica uma diferença em como o arco-íris está sendo percebido. As regras intangíveis da geometria asseguram que dois observadores não observem e não possam observar exatamente o mesmo arco-íris; a dispersão de cores nunca é a mesma para duas pessoas diferentes. É profundo, porém alienante e insondável, pois é terrivelmente pessoal, mas cada um vê seus próprios arco-íris.

Referências:

  1. instituto Smithsonian
  2. WebExhibits
  3. Corporação Universitária para Pesquisa Atmosférica
  4. Terra e Céu

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